Сварные конструкции1 134-199стр. (Сварные конструкции), страница 2

Большое влияние на предел выносливости оказывает очертание поверхности швов. У выпуклых стыковых швов он более низкий, чем у гладких; весьма хорошие результаты получаются при снятии усилений стыковых швов или при их обработке, обеспечивающей плавный переход от шва к основному металлу.

Получить соединения с хорошей прочностью можно не только

при сварке прокатных элементов, но и при сварке литых деталей

или прокатных с литыми.

Прочность при переменных нагрузках тавровых соединений в значительной степени зависит от подготовки кромок. Экспериментально доказано, что предел выносливости таврового соединения, сваренного с подготовкой кромок, выше, чем того же соединения без подготовки. Причиной этого является концентрация напряжений из-за непровара кромок. При сварке тавровых соединений на автоматах под флюсом глубина проплавления больше.

Это обстоятельство улучшает работу соединений, подвергающихся

переменным нагрузкам (рис. 4.7).

Таблица 4.3

Пределы выносливости сварных стыковых соединений

низколегированных сталей при числе циклов N

Прочность нахлесточных соединений и соединений с накладками, работающих при переменных нагрузках, низка из-за концентрации напряжений в соединениях этого рода. Она образуется

в основном металле вблизи угловых швов, между швами, в поперечных сечениях самих швов, а также подлине швов вследствие неравномерного распределения усилий.

Для стали СтЗ при растягивающих усилиях и r = 0,15 соединения с лобовыми швами при отношении катетов 2:1, когда механическая обработка отсутствует, имеют предел выносливости 81—109 МПа, а при ее наличии— 113 МПа. У соединений с фланговыми швами обычного типа предел выносливости составляет 76 МПа, а в соединениях с выточками в накладках у начала фланговых швов — до 90 МПа. Эти

д анные указывают на низкие усталостные свойства соединений с угловыми швами и на возможность их повышения путем применения улучшенных конструктивных форм и технологической обработки. Работоспособность соединений с фланговыми швами при переменных нагрузках зависит от длины фланговых швов, от ширины накладок и расстояния между швами.

На рис. 4.8 приведены кривые пределов выносливости для разных типов сварных со-

единений из низкоуглеродистой стали. Кривая 1 получена для сварных соединений с наиболее резкими концентраторами напряжений, кривая 4 — с наиболее слабыми концентраторами, кривые 2 и 3—с промежуточными. Для соединений из более прочных сталей σ'r/ σ'в имеют еще меньшие значения.

На рис. 4.9 приведены значения эффективных коэффициентов концентрации Кэ, полученные опытным путем при испытаниях сварных соединений и элементов конструкций из сталей СтЗ и 15ХСНД. Стыковые соединения имеют наименьшие Кэ, соединения с фланговыми швами — наибольшие. В конструкциях из низколегированной стали 15ХСНД коэффициенты Кэ выше, чем в конструкциях из стали СтЗ.

Влияние концентраторов на прочность при переменных нагрузках наглядно видно на рис. 4.10, где изображены различные виды сварных соединений и их пределы выносливости при испытаниях в условиях отнулевых циклов r = 0.

Экспериментальным путем установлено, что усталостная прочность сварных соединений элементов больших толщин, сваренных электрошлаковым способом, из низкоуглеродистых и углеродистых сталей, например марки 35Л, удовлетворительна. С увеличением размера сварного элемента предел выносливости несколько снижается. Однако достаточная прочность сварных соединений при переменных нагрузках позволяет применять электрошлаковую сварку в самых ответственных машиностроительных конструкциях.

Заметное влияние на повышение усталостной прочности оказывает термообработка сварных конструкций. Это видно из данных табл. 4.4, где приведены результаты испытаний сварных соединений из низкоуглеродистой стали 22К. При сварке элементов боль-





ших толщин термическая обработка, особенно в сочетании со снятием усиления, приводит к заметному повышению усталостной прочности.

Таблица 4.4

Предел выносливости элементов 65х75 мм при различной термообработке

§ 3. Сопротивление усталости сварных соединений, выполненных контактной сваркой

Соединения, выполняемые контактной стыковой сваркой, обладают высокими механическими свойствами не только при статических, но и при переменных нагрузках. При сварке низкоуглеродистых и многих низколегированных сталей соединения имеют предел выносливости, близкий к пределу выносливости основного металла. Большое влияние на усталостную прочность оказывает качество провара стыка, а также состояние его поверхности. При грубой обработке поверхности предел выносливости меньше; при гладкой, особенно полированной, — больше.

Усталостная прочность точечных соединений значительно уступает прочности стыковых. Точечные соединения условно рассчитывают по напряжениям среза. Однако их разрушения при работе под переменными нагрузками всегда происходят в результате разрывов металла в надточечной или околоточечной зонах. Эти разрушения вызваны концентраторами напряжений. Усталостная прочность точечных соединений в очень большой степени зависит от того, являются ли они связующими или рабочими, от рода материала и степени его чувствительности к концентраторам напряжений.

Данные экспериментов показывают, что пределы выносливости рабочих точек намного ниже, чем связующих, что наименее чувствительны к концентраторам точечные соединения из низкоуглеродистых сталей, более чувствительны соединения из аустенитной стали 12Х18Н10Т и из стали ЗОХГСА после закалки и низкого отпуска.

Усталостная прочность в сильной степени зависит от конструкции соединения. Чем больше шаг между точками в ряде, направленном перпендикулярно действующей силе, тем выше концентра-

ц ия напряжений и ниже усталостная прочность. В соединениях с двухсрезными точками усталостная прочность повышается почти в три раза по сравнению с односрезными. Качество сварных точек особенно рабочих, также влияет на

усталостную прочность. Внутренние трещины в точке оказывают небольшое влияние на значение разрушающей нагрузки; наружные же трещины могут снизить ее в три раза и более. Очень большое влияние на усталостную прочность точек оказывает характер цикла испытаний (рис. 4.11). При знакопеременных нагружениях предел выносливости в несколько раз меньше, чем при знакопостоянных.

Усталостная прочность соединений, выполненных шовной сваркой ниже, чем стыковой, но выше, чем точечной, так как шовные соединения обеспечивают более равномерный силовой поток. Примерные значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений Кэ для точечных и шовных соединений приведены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Коэффициент Кэ точечных и шовных соединений

§ 4. Методы повышения прочности сварных соединений при переменных нагрузках. Влияние остаточных напряжений

Формы разрушений сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках, разнообразны. Места разрушения определяются наличием дефектов в сварных швах, нерациональным очертанием сварных соединений, а также наличием зон отпуска в соединениях термообработанных сталей (рис. 4.12). При сварке

т ермически обработанных легированных сталей наименьшую прочность при переменных нагрузках в сварном соединении имеет основной металл в зоне отпуска. Аналогичное понижение предела выносливости в зоне отпуска наблюдается в сварных соединениях термически обработанных цветных сплавов (алюминиевых, магниевых и др.). Разрушение, как правило, происходит на небольшом расстоянии Л от границы шва (рис. 4.12), где предел выносливости ниже, чем в основном металле, не подвергавшемся отпуску. Повышают прочность сварных соединений легированных сталей при переменных нагрузках последующей термической обработкой изделия. Чтобы предотвратить снижение прочности при переменных нагрузках, необходимо рационально спроектировать сварную конструкцию, т. е. создать конструктивные формы, которые обеспечивали бы максимальное устранение концентрации напряжеыии(рис. 4.13).

Повышению усталостной прочности способствует механическая обработка сварных деталей, обеспечивающая плавные сопряжения наплавленного и основного металла. Эффективность такого приема можно видеть на примере приварки планок к листовым элемен там, изображенным на рис. 4.14. Для сравнения указаны пределы выносливости σ-1.

Плавные переходы от наплавленного металла к основному получаются и при обработке швов аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом. После такой обработки стыковых соединений из стали СтЗ предел усталости σ-1 повысился с 80 до 120 МПа. Эффект повышения сопротивления усталости соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей достигается также механической зачисткой швов.

Много исследований было проведено для установления влияния остаточных напряжений на несущую способность сварных соединений и конструкций. Было показано, что для различных сталей, видов концентраторов напряжений влияние полей остаточных напряжений на несущую способность может быть совершенно различным. Они могут понижать ее, часто не оказывают влияния, а в некоторых случаях даже повышают. Аналитически предел выносливости образца с остаточными напряжениями при r = —1

приближенно может быть выражен следующей формулой:

где σ-1— предел выносливости при симметричном цикле; σост — остаточные растягивающие напряжения в зоне возможного разрушения; σв —предел прочности материала.

Отпуск при температуре 650 °С, устраняющий остаточные напряжения, вызванные сваркой, как правило, не повышает усталостную прочность низкоуглеродистой стали. Это объясняется тем, что отпуск не только устраняет остаточные напряжения, но и изменяет

до некоторой степени механические свойства металла — снижает предел текучести. На рис. 4.15, а, б можно видеть различное влияние отпуска на усталостную прочность образцов из низкоуглеродистой стали. При нагружениях в условиях симметричного цикла отпуск полезен, при r = 0 польза его исчезает, при r > 0 он может снизить предел выносливости.